JP2005204409A - 空気調和機の漏洩電流制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータとハーフブリッジ型コンバータのスイッチング動作によって発生する漏洩電流を同時に打ち消すことができる空気調和機の漏洩電流制御装置を提供する。
【解決手段】 ハーフブリッジ型コンバータ部１によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１の制御電圧発生手段と、インバータ部２によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２の制御電圧発生手段と、圧縮機モータ３の漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを有し、第１、第２の制御電圧発生手段の出力電圧が加算されて入力され、圧縮機モータ３の漏洩電流を相殺する電流を出力する等価インピーダンス部１０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空気調和機の漏洩電流制御装置に係り、特にインバータ等の電力変換機器、及びコンバータ等の電圧増幅機器におけるスイッチング動作により発生する漏洩電流を打ち消す空気調和機の漏洩電流制御装置に関するものである。

近年、モータを負荷として運転制御するＰＷＭインバータ（以下インバータと称す）などの電力変換機器においては、適用範囲の拡大と電力用半導体素子の特性向上に伴ない、インバータのキャリア周波数の高周波化が進められている。同時にインバータのスイッチング動作時に生じる電圧もしくは電流の急峻な変化により、伝導性及び放射性の電磁妨害（ＥＭＩ）や負荷の浮遊容量を通して、大地に流れる高周波漏れ電流（漏洩電流）が発生する問題があり、この問題の解決するため、例えば、従来のアクテイブコモンモードキャンセラは、電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行う電圧形ＰＷＭインバータの電力用半導体素子のスイッチング動作時に発生するコモンモード電圧を検出するスター結線されたコンデンサと、このコンデンサにより検出されたコモンモード電圧により制御され、このコモンモード電圧と同じ大きさで逆極性の電圧を発生する制御電圧源と、この制御電圧源より発生した電圧をインバータの出力に重畳させて前記コモンモード電圧を相殺するコモンモードトランスとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の漏電防止装置は、本体の負荷の漏洩インピーダンスと等価なインピーダンス、負荷漏洩インピーダンス等価インピーダンスに電圧を与えるスイッチング部、スイッチング部をドライブする駆動部、スイッチングパターンを生成する制御部から構成され、漏電防止装置のスイッチング部の電源は本体コンバータの出力を用いている。本体の制御部および漏電防止装置の制御部は同一マイクロプロセッサ上で実現され、スイッチング手段によって、インバータのスイッチング動作によって生じる各相の対地間電圧と逆位相の電圧を負荷漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを印加させ、電力変換機器のスイッチング動作によって発生する漏洩電流を打ち消している（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−９４２４４（段落００１７〜００３５、図１〜４） 特開平９−２３３８３７（段落００４７〜００５１、図１、２）

特許文献１、２は、いずれも、インバータのスイッチング動作によって発生し、機器から大地に流れ出る漏洩電流を打ち消すことはできるが、スイッチング素子をハーフブリッジ型に構成したコンバータ（以下ハーフブリッジ型コンバータ部と称す）を使用した空気調和機では、ハーフブリッジ型コンバータ部のスイッチング動作によっても空気調和器から大地に流れ出る漏洩電流が発生し、従来の漏洩電流制御装置ではこの漏洩電流を打ち消すことができないという問題があった。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、インバータのスイッチング動作によって発生し、大地に流れる漏洩電流とハーフブリッジ型コンバータ部のスイッチング動作によって発生し、大地に流れ出る漏洩電流を同時に打ち消すことができる空気調和機の漏洩電流制御装置を提供することを目的とする。

空気調和機の漏洩電流制御装置は、ハーフブリッジ型のスイッチング手段により交流を直流へ変換するとともに電圧増幅を行なう電圧増幅回路、スイッチング手段により直流を交流へ変換する電力変換回路及びこの電力変換回路の出力により駆動される圧縮機とを有する空気調和機の漏洩電流制御装置において、前記電圧増幅回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１の制御電圧発生手段と、前記電力変換回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２の制御電圧発生手段と、前記圧縮機の漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを有し、前記第１、第２の制御電圧発生手段の出力電圧が加算されて入力され、前記圧縮機の漏洩電流を相殺する電流を出力する等価インピーダンス部と、を備えたものである。

この発明は、ハーフブリッジ型のスイッチング手段により交流を直流へ変換するとともに電圧増幅を行なう電圧増幅回路、スイッチング手段により直流を交流へ変換する電力変換回路及びこの電力変換回路の出力により駆動される圧縮機とを有する空気調和機の漏洩電流制御装置において、電圧増幅回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１の制御電圧発生手段と、前記電力変換回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２の制御電圧発生手段と、前記圧縮機の漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを有し、前記第１、第２の制御電圧発生手段の出力電圧が加算されて入力され、前記圧縮機の漏洩電流を相殺する電流を出力する等価インピーダンス部と、を備えたので、インバータのスイッチング動作によって発生し、大地に流れる漏洩電流とハーフブリッジ型コンバータ部のスイッチング動作によって発生し、大地に流れ出る漏洩電流を同時に打ち消すことができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置の全体構成図、図２は図１の各部における電圧電流波形図、図３は図１に示すハーフブリッジ型コンバータ部の構成図、図４は図３の対地間電圧の発生メカニズムの説明図、図５は図１に示すインバータ部、図６は図５の対地間電圧の発生メカニズムの説明図である。

図１において、空気調和機本体１０１は単相交流電源２５より供給された交流を直流に変換し、ハーフブリッジ型のスイッチング手段であるスイッチング素子のスイッチング動作によりその供給された電圧を上昇させて出力する電圧増幅回路であるハーフブリッジ型コンバータ部１と、スイッチング素子のスイッチング動作によりハーフブリッジ型コンバータ部１より供給された直流を交流に変換する電力変換回路であるインバータ部２と、インバータ部２の出力により駆動される圧縮機モータ３と、ハーフブリッジ型コンバータ部１とインバータ部２のスイッチング動作を制御する制御部６と、制御部６に電源を供給する制御用電源５とから構成されている。圧縮機モータ３の負荷漏洩インピーダンス４は、圧縮機モータ３内部に発生するインピーダンスと等価のものを示している。

漏洩電流制御装置１０２は、空気調和機本体１０１のハーフブリッジ型コンバータ部１によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１の制御電圧発生手段と、インバータ部２によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２の制御電圧発生手段と、圧縮機モータ３の漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを有し、前記第１、第２の制御電圧発生手段の出力電圧が加算されて入力され、圧縮機モータ３の漏洩電流を相殺する電流を出力する等価インピーダンス部１０を備えている。

第１の制御電圧発生手段は、空気調和機本体１０１のハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング手段の制御信号を入力し、この制御信号の反転信号を発生させる第１の制御部１２ａ、１２ｂと、ハーフブリッジ型コンバータ部１の出力電圧を駆動用とし、第１の制御部１２ａ、１２ｂからの反転信号を入力し、ハーフブリッジ型コンバータ部１によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１のスイッチング部７と、制御部１２ａの制御用電源として用いられる電源１１、制御部１２ｂの制御用電源として用いられる制御用電源５から構成される。

第２の制御電圧発生手段は、インバータ部２のスイッチング手段の制御信号を入力し、この制御信号の反転信号を発生させる第２の制御部１３と、ハーフブリッジ型コンバータ部１の出力を蓄えるコンデンサである電源供給部８と、電源供給部８に蓄えられた電荷を駆動用とし、第２の制御部１３からの反転信号を入力し、インバータ部２によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２のスイッチング部９とから構成される。

アース端子は空気調和機本体１０１の板金（図示せず）から大地に接続されている。ハーフブリッジ型コンバータ部１、及びインバータ部２のスイッチング動作によって発生した漏洩電流は圧縮機モータ３のコイル通電部からコアや絶縁表面を通じて圧縮機モータ３の外枠に流れる。圧縮機の場合、圧縮機モータ３を固定する外箱に漏洩電流が流れ、その外箱から大地に流れ出る場合がある。

圧縮機モータ３の負荷漏洩インピーダンス４は三相の巻き線それぞれに存在することを示す説明用等価回路であり、中性点設置を意味するものではない。実際は巻き線の絶縁材料、製造状態、モータ使用中の汚れや水分付着などによって変化する。また、巻き線の絶縁の弱い部分に漏洩は生じやすくなる。漏洩電流と逆位相の電流が流れる電流線はアース端子と同一位置に結線し相互に打ち消し合わせると良い。

次に、この発明の実施の形態の空気調和機の漏洩電流制御装置の動作を図１〜６により説明する。
図２において（Ａ）は空気調和機本体１０１のハーフブリッジ型コンバータ部１及びインバータ部２のスイッチング動作によって生じる圧縮機モータ３の一相の対地間電圧を示し、（Ｂ）はその対地間電圧によって生じる漏洩電流を示す。また、（Ｃ）は漏洩電流制御装置１０２における第１のスイッチング部７、第２のスイッチング部９が出力する空気調和機本体１０１の圧縮機モータ３の一相の対地間電圧と逆位相の電圧（以下制御電圧と称す）を示し、（Ｄ）は制御電圧によって生じる漏洩電流と逆位相の電流（以下制御電流と称す）を示す。横軸は時間軸である。

まず、空気調和機本体１０１に発生する漏洩電流について説明する。ここでは、わかり易く説明するために、ハーフブリッジ型コンバータ部１とインバータ部２に分けて説明する。図は３ハーフブリッジ型コンバータ部１の構成、図４はハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング動作による対地間電圧の発生メカニズムを示し、図５は圧縮機モータ３の一相とそれに対応するインバータ部２の一部の構成、図６はインバータ部２のスイッチング動作による対地間電圧の発生メカニズムを示す。

ハーフブリッジ型コンバータ部１は図３に示すように、一対のコモンチョークコイル１４、一対のスイッチング素子１６、一対のダイオード１７、電解コンデンサ１５から構成される。

この構成において、単相交流電源２５の電圧をＶａｃ、コモンチョークコイル１４にかかる電圧をＶＬ１、ＶＬ２、電解コンデンサ１５にかかる電圧をＶｄｃとし、スイッチング素子１６は二つ同時にＯＮ、及び二つ同時にＯＦＦとなる動作を行なう。また二つのコモンチョークコイル１４は仕様が等しいことからＶＬ１＝ＶＬ２となる。
図４（ａ）に図３で示すスイッチング素子１６のＯＮ時における電流の流れを点線で示す。電流の流れよりグランド−対地間電圧Ｖｇａは
Ｖａｃ＝ＶＬ１＋ＶＬ２＝２ＶＬ１＝２ＶＬ２
より式（１）となる。
Ｖｇａ＝Ｖａｃ／２ …（１）
図４（ｂ）に図３で示すスイッチング素子１６のＯＦＦ時における電流の流れを示す。電流の流れよりグランド−対地間電圧Ｖｇａは
Ｖａｃ＝ＶＬ１＋ＶＬ２＋Ｖｄｃ＝２ＶＬ１＋Ｖｄｃ＝２ＶＬ２＋Ｖｄｃ
より式（２）となる。
Ｖｇａ＝（Ｖａｃ−Ｖｄｃ）／２ …（２）

図１においてインバータ部２は６つのスイッチング素子から構成されているが、圧縮機モータ３の一相とそれに対応するインバータ部２の一部の構成は、図５に示すように、電解コンデンサ１５、一対のスイッチング素子１９、２０、一対のダイオード２１、圧縮機モータ２２、負荷漏洩インピーダンス２３から構成される。

この構成において、電解コンデンサにかかる電圧をＶｄｃとし、スイッチング素子１９、２０は同時にＯＮ及びＯＦＦとはならず、一方がＯＮならもう一方はＯＦＦとなる動作を行なう。また分かり易く説明するために図５、図６のモータ入力線は一相のみとする。
図６（ａ）において図５で示すスイッチング素子１９がＯＮ時（スイッチング素子２０はＯＦＦ時）、点ｇ−グランド間電圧Ｖｇ-ａは式（３）となる。
Ｖｇａ＝Ｖｄｃ …（３）
図６（ｂ）において図５で示すスイッチング素子１９がＯＦＦ時（スイッチング素子２０はＯＮ時）、点ｇ−グランド間電圧Ｖｇ-ａは式（４）となる。
Ｖｇａ＝０ …（４）

以上のことと、インバータ部２のスイッチングキャリア周波数よりハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチングキャリア周波数の方が高周波であることから、図２に示すようにハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチングの切り替わりが速く、空気調和機本体１０１に発生する漏洩電流は、例えば、圧縮機モータの一相対地間電圧で示すと図２（Ａ）に示すのａ〜ｄのパターンとなる。
なお、ハーフブリッジ型コンバータ部１とインバータ部２のスイッチング動作は無関係であり、例えば、ｔａにおいてインバータ部２のスイッチング素子１９がＯＦＦになった場合を示している。

圧縮機モータの一相対地間電圧のパターンａ〜ｄは、ハーフブリッジ型コンバータ部１のグランド−対地間電圧Ｖｇａにインバータ部２の点ｇ−グランド間電圧Ｖｇ-ａを加算したものとなり次に示す電圧となる。
ａ：スイッチング素子１６、１９がＯＮ時であるから（１）＋（３）となり
⇒Ｖａｃ／２＋Ｖｄｃ
ｂ：スイッチング素子１６がＯＦＦ、スイッチング素子１９がＯＮ時であるから（２）＋（３）より
⇒Ｖａｃ／２＋Ｖｄｃ／２
ｃ：スイッチング素子１６、２０がＯＮであるから（１）＋（４）より
⇒Ｖａｃ／２
ｄ：スイッチング素子１６がＯＦＦ、スイッチング素子２０がＯＮ時であるから（２）＋（４）より
⇒Ｖａｃ／２−Ｖｄｃ／２
となる。

この発明の実施の形態の漏洩電流制御装置の動作原理は、図１に示すように空気調和機本体１０１よりインバータ部２のスイッチング素子の制御情報だけでなく、ハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング素子の制御情報も漏洩電流制御装置の制御部１２ａ、１２ｂに送り込み、第１のスイッチング部７を駆動し、図２（Ｃ）に示すような制御電圧を発生させる。その制御電圧を圧縮機モータ３の負荷漏洩インピーダンス４と等価な等価インピーダンス部１０に印加することで、図２（Ｄ）に示すような制御電流を発生させることができ、漏洩電流を制御することができるものである。

次に、詳細な動作について説明する。空気調和機本体１０１は、単相交流電源２５がＯＮで稼動開始すると、制御部６のスイッチング信号によりハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング素子のスイッチング動作させ、供給された交流を直流に変換し、電圧を上昇させて出力する。インバータ部２は制御部６のスイッチング信号によりスイッチング素子をスイッチング動作させハーフブリッジ型コンバータ部１より供給された直流を交流に変換し出力し、この出力により圧縮機モータ３が駆動される。
このとき、圧縮機モータ３の一相の対地間電圧は、ハーフブリッジ型コンバータ部１、及びインバータ部２のスイッチング素子のスイッチング動作によって発生する。

漏洩電流制御装置１０２では、ハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング素子のスイッチング信号と逆位相の信号を制御部１２ａ、１２ｂで発生させ、第１のスイッチング部７を駆動させ、また、インバータ部２のスイッチング素子のスイッチング信号と逆位相の信号を制御部１３で発生させ、第２のスイッチング部９を駆動させる。

このとき、第１のスイッチング部７の出力は空気調和機本体１０１のハーフブリッジ型コンバータ部１の対地間電圧で示した式（１）または（２）の逆位相の電圧であり、第２のスイッチング部９の出力はインバータ部２の対地間電圧で示した式（３）または（４）の逆位相の電圧である。
そして、第１のスイッチング部７の出力に第２のスイッチング部９の出力が加算され、図２（Ａ）が反転した図２（Ｃ）に示すような制御電圧となる。この制御電圧は、第１のスイッチング部７、第２のスイッチング部９へは空気調和機本体１０１のハーフブリッジ型コンバータ部１の出力をそのまま用い、空気調和機本体１０１圧縮機モータ３の一相の対地間電圧と完全に逆の電圧にしている。

ここで、空気調和機本体１０１において図２（Ａ）に示すような圧縮機モータ３の一相の対地間電圧が圧縮機モータ３の負荷漏洩インピーダンス４に印加されると、図１の矢印の方向に図２（Ｂ）に示すような漏洩電流が発生し、筐体等の板金を通じて大地へ流れようとする。一方、漏洩電流制御装置１０２では図２（Ｃ）に示すような制御電圧が等価な等価インピーダンス部１０に印加され、図１の矢印（白矢印と黒矢印）の方向に図２（Ｄ）に示すような制御電流が流れることで、圧縮機モータ３の漏洩電流を相殺する。

なお、負荷漏洩インピーダンス４は圧縮機モータ３のモータ巻き線三相に電圧を印加して電流を発生させ、この時の漏洩電流を測定することで求めることができる。これより漏洩電流制御装置の等価インピーダンス部１０の等価なインピーダンス定める。等価インピーダンス部１０は抵抗、コンデンサなどの受動部品で構成することが可能である。また、漏洩電流制御装置の電源１１は漏洩電流制御装置のグランドと電気的に接続されている方式（チャージポンプ方式など）と、電気的に接続されていない方式（トランスなど）のどちらでも良い。前者のメリットは電気的に接続されていることによって制御動作の安定性が良いことがあげられ、後者のメリットは前者と異なり電源素子を使用する必要がないため、コストが安いことがあげられる。

以上のように、ハーフブリッジ型コンバータ部１とインバータ部２のスイッチング信号を同時に制御することによって、発生する制御電圧を負荷漏洩インピーダンス４と等価な等価インピーダンス部１０に印加することで、ハーフブリッジ型コンバータ部１のスイッチング動作によって生じる漏洩電流とインバータ部２のスイッチング動作によって生じる漏洩電流を同時に打ち消すことができる。
また、漏洩防止トランスなどの大型なものとは異なり、受動電子部品やマイコン内のソフトで構成することができ、装置を小型にすることができる。

この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置の要部の電圧電流波形図である。 この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置のハーフブリッジ型コンバータ部の構成図である。 この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置のハーフブリッジ型コンバータ部の対地間電圧の説明図である。 この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置のインバータ部の構成図である。 この発明の実施の形態を示す空気調和機の漏洩電流制御装置のインバータ部の対地間電圧の説明図である。

符号の説明

１ ハーフブリッジ型コンバータ部、２ インバータ部、３ 圧縮機モータ、４ 負荷漏洩インピーダンス、６ 制御部、７ 第１のスイッチング部、８ 電源供給部、９ 第２のスイッチング部、１０ 等価インピーダンス部、１２ａ、１２ｂ 第１の制御部、１３ 第２の制御部、１６、１９、２０ スイッチング素子、２５ 単相交流電源。

Claims (2)

1. ハーフブリッジ型のスイッチング手段により交流を直流へ変換するとともに電圧増幅を行なう電圧増幅回路、スイッチング手段により直流を交流へ変換する電力変換回路及びこの電力変換回路の出力により駆動される圧縮機とを有する空気調和機の漏洩電流制御装置において、
   前記電圧増幅回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１の制御電圧発生手段と、
   前記電力変換回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２の制御電圧発生手段と、
   前記圧縮機の漏洩インピーダンスと等価である等価インピーダンスを有し、前記第１、第２の制御電圧発生手段の出力電圧が加算されて入力され、前記圧縮機の漏洩電流を相殺する電流を出力する等価インピーダンス部と、
   を備えたことを特徴とする空気調和機の漏洩電流制御装置。
2. 第１の制御電圧発生手段は、電圧増幅回路のスイッチング手段の制御信号を入力し、この制御信号の反転信号を発生させる第１の制御部と、
   この第１の制御部からの反転信号を入力し、前記電圧増幅機器によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第１のスイッチング部と、
   を備え、
   第２の制御電圧発生手段は、電力変換回路のスイッチング手段の制御信号を入力し、この制御信号の反転信号を発生させる第２の制御部と、
   この第２の制御部からの反転信号を入力し、前記電力変換回路によって生じる対地間電圧と逆位相の電圧を発生する第２のスイッチング部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の空気調和機の漏洩電流制御装置。
   

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